FR2685500A1 - OPTICAL POLARIZATION SEPARATOR AND APPLICATION TO A VISUALIZATION SYSTEM. - Google Patents
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Abstract
Séparateur de polarisations comportant un cristal liquide nématique (3) enserré entre deux lames transparentes (1, 2). Les faces des lames en contact avec le cristal liquide sont traitées de façon que les molécules du cristal liquide en contact avec ces faces soient, pour l'une des faces (1), parallèles à cette face et, pour l'autre face (2), perpendiculaires à cette autre face. Applications: Séparations de polarisations. Dispositif de visualisation.Polarization separator comprising a nematic liquid crystal (3) clamped between two transparent plates (1, 2). The faces of the plates in contact with the liquid crystal are treated so that the molecules of the liquid crystal in contact with these faces are, for one of the faces (1), parallel to this face and, for the other face (2 ), perpendicular to this other face. Applications: Polarization separations. Viewing device.
Description
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SEPARATEUR OPTIQUE DE POLARISATIONS ET OPTICAL SEPARATOR OF POLARIZATIONS AND
APPLICATION A UN SYSTEM, DE VISUALISATION APPLICATION TO A SYSTEM, VISUALIZATION
L'invention concerne un séparateur optique de The invention relates to an optical separator
polarisations et son application à un système de visualisation. polarizations and its application to a visualization system.
Notamment, le dispositif de l'invention permet de séparer les deux polarisations d'un faisceaux lumineux non polarisé et, dans une application préférentielle, de les transmettre à un dispositif de visualisation électrooptique tel In particular, the device of the invention makes it possible to separate the two polarizations of a non-polarized light beam and, in a preferred application, to transmit them to an electrooptical visualization device such as
qu'un écran à cristal liquide.than a liquid crystal screen.
La notion de récupérer la polarisation non utilisée de la source et après séparation et retournement de l'additionner à 1 O la polarisation directe a été décrite dans de nombreux Brevets et publications La séparation se fait généralement par réflexion/transmission sur une multicouche diélectrique (utilisation de l'angle de Brewster) ou par réflexion de Bragg d'une composante polarisée circulairement sur une structure chirale Ces séparateurs sont limités en ouverture admissible et The concept of recovering the unused polarization of the source and after separation and reversal of adding it to the direct polarization has been described in many patents and publications. The separation is generally by reflection / transmission on a dielectric multilayer (use of Brewster's angle) or by Bragg reflection of a circularly polarized component on a chiral structure These separators are limited in permissible opening and
en domaine de longueurs d'onde.in wavelength domain.
La rotation recombinaison se fait généralement par un jeu de miroirs ou par une structure nématique twistée Cette recombinaison nécessite en général un nombre de dioptres important et l'efficacité est loin d'atteindre la valeur thérorique de 2 De plus la qualité de la polarisation est insuffisante et il est nécessaire d'interposer un dernier polariseur conventionnel pour atteindre un contraste image satisfaisant. De plus, les systèmes connus sont encombrants et lourds. Le dispositif de l'invention est plus compact et plus léger du fait du faible nombre de dioptres efficaces qu'il nécessite. L'invention concerne donc un séparateur optique de polarisations, caractérisé en ce qu'il comprend un élément en cristal liquide nématique enserré entre une première lame transparente et une euxième lame transparente, la face de l'une des lames en contact avec le cristal liquide étant traitée de façon que les molécules du cristal liquide en contact avec cette face soient orientée parallèlement à cette face, la face de l'autre lame en contact avec le cristal liquide étant traitée de façon à ce que les molécules du cristal liquide soient orientées The recombination rotation is generally done by a set of mirrors or by a twisted nematic structure. This recombination generally requires a large number of diopters and the efficiency is far from reaching the theoretical value of 2. Moreover, the quality of the polarization is insufficient. and it is necessary to interpose a last conventional polarizer to achieve a satisfactory image contrast. In addition, the known systems are bulky and heavy. The device of the invention is more compact and lighter because of the small number of effective dioptres it requires. The invention therefore relates to an optical polarization separator, characterized in that it comprises a nematic liquid crystal element sandwiched between a first transparent plate and a second transparent plate, the face of one of the blades in contact with the liquid crystal. being treated so that the molecules of the liquid crystal in contact with this face are oriented parallel to this face, the face of the other blade in contact with the liquid crystal being treated so that the molecules of the liquid crystal are oriented
perpendiculairement à cette face de cette autre lame. perpendicular to this face of this other blade.
L'invention concerne également un système de visualisation appliquant le séparateur de polarisations, caractérisé en ce qu'il comporte: une source lumineuse fournissant un faisceau de lumière non polarisée; le séparateur de polarisations recevant le faisceau de lumière non polarisée et fournissant deux faisceaux de lumière polarisée selon une même polarisation; un modulateur de lumière recevant les faisceaux de The invention also relates to a visualization system applying the polarization separator, characterized in that it comprises: a light source providing a non-polarized light beam; the polarization separator receiving the unpolarized light beam and providing two beams of light polarized in the same polarization; a light modulator receiving the beams of
lumière polarisée et modulant l'intensité de ces faisceaux. polarized light and modulating the intensity of these beams.
Les différents objets et caractéristiques de The different objects and characteristics of
l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui the invention will appear more clearly in the description which
va suivre en se reportant aux figures annexées qui repré- will follow with reference to the appended figures which represent
sentent: les figures 1 à 3, un exemple de réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention; la figure 4, un exemple de réalisation d'un système de visualisation selon l'invention; la figure 5, un autre exemple de réalisation d'un Feel: FIGS. 1 to 3, an exemplary embodiment of a polarization separator according to the invention; FIG. 4, an exemplary embodiment of a display system according to the invention; FIG. 5, another embodiment of a
système de visualisation selon l'invention. visualization system according to the invention.
On va donc tout d'abord décrire un exemple de So we will first describe an example of
réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention. embodiment of a polarization separator according to the invention.
Comme cela est représenté en figure 1, le séparateur SP comporte deux lames transparentes 1 et 2 enserrant une couche de cristal liquide 3 A titre d'exemple, le faisceau lumineux entre dans le dispositif par la face 20 de la lame 2 et ressort comme on le verra ci-après par les faces 21 et 22 des lames 1 et 2 Les indices de réfraction des lames 1 et 2, sont, par exemple de N = 1, 65 Les indices de réfraction du cristal liquide sont, par exemple N = 1, 5 par l'indice ordinaire et ne = 1,65 pour l'indice extraordinaire L'un des indices du cristal liquide, l'indice extraordinaire par exemple, est sensiblement égal à celui de la lame 1. Selon une technique connue, les faces des lames 1 et 2 sont recouvertes par une couche d'un matériau polylmide 4 et 5 (figure 2) Selon l'invention, la lame 1 après dépôt de la couche 4 est soumise à un traitement tel qu'un frottement dans une direction déterminée de telle façon que dans le séparateur, après assemblage, le cristal liquide 3 voit ses molécules, en contact avec la couche 4, s'orienter parallèlement au plan de la couche 4 et dans la direction déterminée précédente qui est la As shown in FIG. 1, the separator SP comprises two transparent blades 1 and 2 enclosing a layer of liquid crystal 3. For example, the light beam enters the device via the face 20 of the blade 2 and comes out as one see below by the faces 21 and 22 of the blades 1 and 2 The refractive indices of the blades 1 and 2 are, for example of N = 1, 65 The refractive indices of the liquid crystal are, for example N = 1 , 5 by the ordinary index and n = 1.65 for the extraordinary index One of the indices of the liquid crystal, the extraordinary index for example, is substantially equal to that of the blade 1. According to a known technique, the The faces of the blades 1 and 2 are covered by a layer of a polylmide material 4 and 5 (FIG. 2). According to the invention, the blade 1 after deposition of the layer 4 is subjected to a treatment such as friction in one direction. determined in such a way that in the separator, after assembly, the liquid crystal 3 sees its molecules, in contact with the layer 4, to move parallel to the plane of the layer 4 and in the previous determined direction which is the
direction de frottement.friction direction.
Selon une autre technique connue, la couche 5 a reçu un traitement par bain dans une solution de polysilane et étuvage Les molécules en contact avec la couche 5 sont alors According to another known technique, the layer 5 has been treated with a bath in a solution of polysilane and steaming. The molecules in contact with the layer 5 are then
perpendiculaires au plan de la couche 5. perpendicular to the plane of layer 5.
Entre les lames 1 et 2, les molécules de cristal liquide adoptent donc une disposition telle qu'en observant les différentes positions des molécules en déplaçant l'observation de la lame 2 vers la lame 1, on voit que les molécules sont tout d'abord perpendiculaires à la lame 2 et qu'elles ont des positions de plus en plus inclinées jusqu'à celles en contact Between the slides 1 and 2, the liquid crystal molecules therefore adopt a disposition such that by observing the different positions of the molecules by moving the observation of the slide 2 towards the slide 1, we see that the molecules are first of all perpendicular to the blade 2 and that they have increasingly inclined positions up to those in contact
avec la couche 4 qui sont parallèles au plan de la lame 1. with layer 4 which are parallel to the plane of the blade 1.
Le sens dans lequel se fait ce basculement peut être déterminé par un faible désalignement de surface comme cela est connu pour toutes les structures dites "Twisted Nematic" Ce désalignement ou "pretllt" peut être obtenu par le sens de The direction in which this tilting is made can be determined by a small surface misalignment as is known for all structures called "Twisted Nematic" This misalignment or "pretllt" can be obtained by the direction of
frottement.friction.
La figure 2 décrit un mode de fonctionnement du Figure 2 describes a mode of operation of the
séparateur SP de l'invention Pour faciliter cette description separator SP of the invention To facilitate this description
on suppose que la lame 1 au moins est épaisse et le faisceau Fl à traiter entre dans le dispositif par la tranche (face 20) de la lame 1 De plus, le cristal liquide est à fort écart d'indice entre indice ordinaire et indice extraordinaire De plus, l'un it is assumed that the blade 1 at least is thick and the beam F1 to be treated enters the device by the wafer (face 20) of the blade 1. Furthermore, the liquid crystal has a large index difference between ordinary index and extraordinary index. In addition, one
des indices est sensiblement égal à celui de la lame 1. indices is substantially equal to that of the blade 1.
Le faisceau incident Fl est dirigé sur l'interface face 1-cristal liquide 3, de telle façon que le plan d'incidence du faisceau Fl sur cet interface soit perpendiculaire à la The incident beam F1 is directed on the face interface 1-liquid crystal 3, so that the plane of incidence of the beam F1 on this interface is perpendicular to the
direction d'orientation des molécules en contact avec la lame 1. direction of orientation of the molecules in contact with the blade 1.
La polarisation P parallèle au plan d'incidence rencontre un dioptre dont l'indice du rayon émergent est l'indice ordinaire du cristal liquide; pour des incidences supérieurs à Arcsinus (n 0/n) (o N est l'indice du verre et N l'indice du cristal liquide) il y a réflexion totale et conservation de la polarisation P. La polarisation S perpendiculaire au plan d'incidence rencontre un dioptre dont l'indice du rayon émergent est l'indice extraordinaire du cristal liquide; cet indice est très généralement supérieur à l'indice ordinaire et nous nous intéresserons au cas o il est égal à l'indice du verre: ne = n Cette polarisation rentre dans le cristal liquide sans subir The polarization P parallel to the plane of incidence meets a diopter whose index of the emergent ray is the ordinary index of the liquid crystal; for bearings greater than Arcsinus (n 0 / n) (where N is the index of the glass and N the index of the liquid crystal) there is total reflection and conservation of the polarization P. The polarization S perpendicular to the plane of incidence meets a diopter whose index of the emergent ray is the extraordinary index of the liquid crystal; this index is very generally superior to the ordinary index and we will be interested in the case where it is equal to the index of the glass: ne = n This polarization enters the liquid crystal without undergoing
de réflexion même partielle à l'interface. even partial reflection at the interface.
La polarisation S se propage dans le cristal liquide suivant une incidence très oblique et subit une rotation du fait de la rotation du directeur du cristal liquide En pratique, l'épaisseur de la cellule est de quelques microns et le pas de The polarization S propagates in the liquid crystal at a very oblique incidence and undergoes rotation due to the rotation of the director of the liquid crystal. In practice, the thickness of the cell is a few microns and the pitch of
cette rotation est grand devant les longueurs d'ondes lumi- this rotation is large in front of the wavelengths
neuses; la condition de Mauguin est satisfaite et la polarisation suit la rotation du directeur La lumière émerge du cristal liquide suivant une polarisation P; l'indice à l'interface est très voisin de ne et très peu de lumière est réfléchie Par exemple, dans le cas o les indices sont 1 5/1 65: l'indice minimum est de Arcsin ( 1 5/1 65) = 650; à la sortie du cristal liquide l'angle d'incidence est augmenté de 2 environ, le directeur est vu sous un angle de 23 ; l'indice suit une loi de la forme N sin 2 (i) +n cos 2 (i) et vaut environ 1 62 Sous cette incidence la réflexion d'une onde polarisée P à Neuses; the condition of Mauguin is satisfied and the polarization follows the rotation of the director. The light emerges from the liquid crystal following a polarization P; the index at the interface is very close to ne and very little light is reflected For example, in the case where the indices are 1 5/1 65: the minimum index is Arcsin (1 5/1 65) = 650; at the exit of the liquid crystal the angle of incidence is increased by about 2, the director is seen at an angle of 23; the index follows a law of the form N sin 2 (i) + n cos 2 (i) and is about 1 62 Under this incidence the reflection of a polarized wave P to
l'interface d'indice 1 62/1 65 est de l'ordre de 0,1 %). the index interface 1 62/1 65 is of the order of 0.1%).
Comme on le voit sur la figure 2, la lumière du faisceau Fl polarisée S parallèlement à la direction des molécules en contact avec la lame 1 (donc perpendiculaire au plan d'incidence du faisceau Fl) n'est pas déviée à l'interface de la lame 1 et du cristal liquide Cette lumière voit ensuite, en traversant le cristal liquide, sa polarisation tourner et le faisceau sortant F 3 se trouve polarisé parallèlement au plan parallèle au molécule en contact avec la lame 2, c'est-à-dire parallèlement à un plan perpendiculaire à la lame 2 Autrement dit, la direction de polarisation du faisceau F 3 est parallèle As can be seen in FIG. 2, the light of the polarized beam S that is parallel to the direction of the molecules in contact with the plate 1 (thus perpendicular to the plane of incidence of the beam F1) is not deviated to the interface of FIG. This light then sees, through the liquid crystal, its polarization turn and the outgoing beam F 3 is polarized parallel to the plane parallel to the molecule in contact with the blade 2, that is to say parallel to a plane perpendicular to the blade 2 In other words, the polarization direction of the beam F 3 is parallel
au faisceau d'incidence.to the incidence beam.
La lumière du faisceau Fl polarisée P parallèlement au plan d'incidence est réfléchie sous la forme du faisceau F 2 de The light of the polarized beam P parallel to the plane of incidence is reflected in the form of the beam F 2 of
même polarisation.same polarization.
On notera que le chemin optique dans le cristal liquide A n e doit être très grand par rapport à la demi longueur d'onde du faisceau ce qui est le cas d'un faisceau It should be noted that the optical path in the liquid crystal A n e must be very large compared to the half wavelength of the beam, which is the case of a beam
ayant un angle d'indice i élevé.having a high index angle i.
On va maintenant décrire un mode de réalisation d'un We will now describe an embodiment of a
dispositif de visualisation selon l'invention. viewing device according to the invention.
La figure 4 a montre un exemple d'association d'une source 6, d'un collecteur elliptique 7 et du dispositif séparateur SP Les tailles relatives de la source 6 et de la couche cristal liquide 3 sont données par leur étendue géométrique dans le plan d'incidence: pour la source: E = 2-L (voir figure 4 b) pour la couche 3: E' =J(n L'cos(i)di) de imin à 90 a (soit par exemple E' = 0,8 Lt pour les indices 1 5/1 65) (voir FIG. 4a shows an example of a combination of a source 6, an elliptical collector 7 and the separator device SP. The relative sizes of the source 6 and the liquid crystal layer 3 are given by their geometric extent in the plane of incidence: for the source: E = 2-L (see FIG. 4b) for the layer 3: E '= J (n The cos (i) di) of imin at 90 a (for example E' = 0.8 Lt for the indices 1 5/1 65) (see
figure 4 c).Figure 4c).
En pratique, le dispositif a une acceptance en surface en fonction de l'ouverture différente de celle de la source et il est préférable de choisir une longueur de lame comprise entre fois et 30 fois la taille de la source ( 20 fois par exemple) pour permettre de bien collecter tous les rayons qui en sont In practice, the device has a surface acceptance as a function of the opening different from that of the source and it is preferable to choose a length of blade between times and 30 times the size of the source (20 times for example) for make it possible to collect all the rays that are
issus de la source.from the source.
Dans le plan perpendiculaire au plan d'incidence, l'ouverture n'est limitée que par l'angle sous lequel le rayon In the plane perpendicular to the plane of incidence, the opening is limited only by the angle under which the radius
entrant dans le séparateur voit le directeur du cristal liquide. entering the separator sees the director of the liquid crystal.
Cette limitation est faible et l'angle d'acceptance est proche de y 1 dans l'air. La figure 5 montre une réalisation pratique d'un projecteur appliquant le système de l'invention On retrouve le séparateur SP, la source 6 et le réflecteur 7 Un écran modulateur de lumière 8 est éclairé par les faisceaux F 2 et F 3 This limitation is small and the acceptance angle is close to y 1 in the air. FIG. 5 shows a practical embodiment of a projector applying the system of the invention. The SP splitter, the source 6 and the reflector 7 are found. A light-modulator screen 8 is illuminated by the beams F 2 and F 3.
issus du séparateur SP.from the separator SP.
Ce modulateur peut être un écran électrooptique tel This modulator can be an electrooptical screen such
que par exemple un écran à cristal liquide. as for example a liquid crystal screen.
La très efficace collection de la polarisation traversant le séparateur SP permet d'utiliser cette polarisation pour l'éclairage d'une moitié de l'image sans que des variations chromatiques entre les deux moitiés ne soient sensibles au spectateur Toutefois, l'acceptance en surface du dispositif 8 étant nulle sur l'axe (i = 90 J, cos(i) = 0), un prisme de sortie permet de faire converger les deux demi-faisceaux et d'éliminer toute raie sombre au centre de l'image Sur la figure 4, les deux lames ont leur face de sortie taillée en "biseau" pour jouer le rôle de prisme ce qui permet de faire se chevaucher les deux lobes des deux faisceaux de sortie Cependant, il est également possible de prévoir tout autre dispositif de déflexion de faisceau à la sortie du séparateur SP de façon à rapprocher The very efficient collection of the polarization crossing the SP separator makes it possible to use this polarization for lighting half of the image without chromatic variations between the two halves being sensitive to the viewer. However, the surface acceptance the device 8 being zero on the axis (i = 90 J, cos (i) = 0), an output prism makes it possible to converge the two half-beams and to eliminate any dark line in the center of the image. 4, the two blades have their output face cut into "bevel" to play the role of prism which allows to overlap the two lobes of the two output beams However, it is also possible to provide any other device beam deflection at the exit of the SP splitter so as to bring
les deux lobes d'éclairement de sortie de l'écran 8. the two exit lobes of the screen 8.
De plus, sur la figure 5, on a représenté, entre la source et le séparateur SP, une lentille de focalisation et à la In addition, in FIG. 5, there is shown, between the source and the SP separator, a focusing lens and at the
sortie du système de projection, une optique de sortie (objectif). output of the projection system, an output optics (objective).
Le système de la figure 4 a été décrit dans un mode de fonctionnement en projection Cependant, sans sortir du cadre de l'invention, il pourrait être adapté pour fonctionner The system of FIG. 4 has been described in a projection mode of operation. However, without departing from the scope of the invention, it could be adapted to operate
en visualisation directe.in direct visualization.
Il est bien évident que la description qui précède n'a It is obvious that the foregoing description has
été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention Notamment les exemples numériques n'ont été fournis que pour illustrer la only by way of example and that other variants can be envisaged without departing from the scope of the invention. Numerical examples have been provided only to illustrate the
description.description.
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